Тақырып: Молекулалар. Гетерополярлық және гомеополярлық байланыстар

Өзіміз білетіндей, элементтердің химиялық қасиеттері сыртқы қабаттағы электрондармен анықталады, ал ішкі қабаттардағы электрондарға тәуелді болмайды деп есептеуге болады. Себебі, ішкі электрондар ядромен, сыртқы электрондарға қарағанда, күштірек байланысты болады. Химиялық байланыстың негізгі екі түрі болады: гетерополярлық (иондық) және гомеополярлық (атомдық) .

16 – сурет

17- сурет

Енді гомеополярлық молекулаларды қарастырайық. Олар бейтарап атомдардан құрылады. Ең қарапайым гомеополярлық молекула-сутегі молекуласы . Сутегі молекуласының жуық кванттық теориясын 1927 жылы неміс физиктері В. Гайтлер мен Ф. Лондон ұсынған, ол теория кванттық химияның негізін қалады. Гайтлер мен Лондон теориясына қысқаша шолу жасайық. Сутегі молекуласындағы электрондар мен ядролардың орналасуын мына түрде көрсетейік:

●

●

Сутегі молекуласы тыныштық күйде бір-бірінен қашықтықта орналасқан және ядролардан, қашықтықта орналасқан 1 және 2 электрондардан құрылады. Мынадай белгілеулер енгізейік: - бірінші электронның ядроларға қатысты радиус - векторы, - екінші электронның ядроларға қатысты радиус-векторы. Қарастырып отырған жүйенің гамильтонианы

. (36.1)

Мұндағы бірінші, екінші мүшелер – электрондардың кинетикалық энергиясының операторлары, үшінші мүше – ядролардың өзара әрекет энергиясы, төртіншісі – екі электронның өзара әрекет энергиясы, бесіншісі – бірінші электрон мен ядроның потенциалдық энергиясы және т.т.

Сутегі молекуласының екі атомы өзара әрекеттеспейді, сондықтан нөлдік жуықтамадағы толқындық функцияларды симметрияланған функциялардың суперпозициясы ретінде қарастырамыз

. (36.2)

Біздің қарастырып отырған мәселеміз, көп денеге арналған мәселеге жатады, сондықтан жуық әдістерді пайдалануға мәжбүр болып отырмыз. (36.2) өрнектегі функциялар ядролардың айналасында қозғалатын бірінші электронға арналған сутегі атомының толқындық функциялары, - екінші электронның сол сияқты толқындық функциялары. Егер толық спин (синглеттік күй) болса, онда (36.2) функция симметриялық болады; ал толық спин (триплеттік күй) болса, онда (36.2) функция антисимметриялық болады. Коэффициент нормалау шартынан (32.5) табылады
. (36.3)

Сонымен, (36.2) толқындық функцияны біржолата былай жазамыз

бірінші жуықтамадағы жүйенің энергиясын табамыз

. (36.6)

(36.6) өрнекті талқылайық. Мұндағы - - екі бейтарап сутегі атомының жиынтық энергиясы, оны нөлдік энергия деп қарастыруға болады

(- Ридберг тұрақтысы), - ядролардың потенциалдық энергиясы, бірінші екі еселі интеграл - және - екі электрондық бұлттың кулондық өзара әрекетінің және электрондық бұлттар мен ядролардың өзара әрекетінің энергиялары. Екінші екі еселі интеграл - алмасулық интеграл. Кулондық энергияны да, алмасулық энергияны да есептеуге болады. Ол үшін, (36.6) өрнектегі интегралдарға сутегі атомының қалыпты күйін сипаттайтын толқындық функциясын ауыстырып қоямыз

, , (36.7)

мұндағы - ядродан электронның ара қашықтығы, - бірінші Бор радиусы. (36.6) өрнектегі функцияларын табу үшін қашықтықтың орнына қашықтықтарды ауыстырып қою керек.

Бірінші жуықтамадағы энергияның ядролардың өзара қашықтығына тәуелділік графигін көрсетейік, энергияның нөлдік санағы ретінде - шаманы аламыз.

19 – сурет
Триплеттік күйде энергия – бірсарынды кемиді, яғни антисимметриялық күйде екі сутегі атом бірін - бірі тебеді, сондықтан сутегі молекуласы түзілмейді. Синглеттік күйде энергия қашықтықта минимум шамасына тең болады, бұл жағдайда сутегі атомдары қашықтықта орналаса алады, яғни сутегі молекуласы пайда болады. Сонымен, антисимметриялық күйде қарама - қарсы спиндері бар электрондардан тұратын екі сутегі атомы бір-біріне тартылып, сутегі молекуласы құрылады. Параллель спиндері бар электрондардан тұратын екі сутегі атомы молекуласын құра алмайды. Атомдардың бір-біріне тартылуы немесе бірін-бірі тебуі алмасулық энергия таңбасына тәуелді. Күйлердің алмасулық құбылысы таза кванттық құбылыс, сондықтан ол тек кванттық теория тұрғысынан түсіндіріледі. Иондық байланысты кванттық теорияның да, Бор теориясының да көмегімен түсіндіруге болады.